JP3149228B2

JP3149228B2 - 表面電位計

Info

Publication number: JP3149228B2
Application number: JP31687291A
Authority: JP
Inventors: 淳一高橋; 浩幸堀口; 元美尾崎
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1991-11-29
Filing date: 1991-11-29
Publication date: 2001-03-26
Anticipated expiration: 2016-03-26
Also published as: JPH05149988A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば電子写真装置に
おける感光体ドラム表面の電位分布測定や、静電気メモ
リのピックアップなどに用いられる表面電位計に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、電子写真プロセスにおける印写
画像は、感光体上に形成される静電潜像を基礎としてい
る。このため、電子写真法において、静電潜像の状態を
知ることは、帯電、露光、現像等の印写プロセスや感光
体などの評価・解析を行なう上で重要である。

【０００３】ここに、静電気は電圧は高いが電荷量が少
ないという特徴を有するため、静電位の測定を一般的な
接触型電位計で行なうと、静電気が電圧計を通ってリー
クしてしまう等の計測上の問題を生ずる。よって、静電
位の計測には、非接触型電位計、即ち、表面電位計が適
しているとされている。

【０００４】このような点を考慮しながら、感光体上に
形成される静電潜像を直接測定できるようにした静電潜
像測定装置が、電子写真学会誌第３０巻第２号(199
1)において論文「感光体上静電潜像の高分解能測定」
（ｐ．１２３〜１３０）（第１の従来例とする）として
報告されている。図９にその測定原理を示す。これは、
いわゆる直流増幅型のものであり、測定電極１を測定対
象物（感光体）２に近接させ、その時に測定電極１に誘
起される電荷を測定用コンデンサＣ_Mで電圧に変換し、
入力インピーダンスの高い増幅器３で増幅するようにし
たものである。即ち、図９においては、Ｖ₀＝{１＋(Ｃ_M
／Ｃ_A)}Ｖ₂なる関係が成立し、Ｖ₂ より光導電層２の
表面電位を測定するというものである。ここに、測定用
コンデンサＣ_Mに外部から流入した電荷が徐々に蓄積さ
れてしまうのを防止するため、測定に先立ち測定用コン
デンサＣ_Mに充電された電荷を放電させる放電スイッチ
４が設けられる。

【０００５】このような直流増幅型で測定電極１の面積
を小さくすると、測定用コンデンサＣ_Mに誘起される電
荷量が小さくなり、十分な出力電圧を得るためにはこの
測定用コンデンサＣ_Mの容量を小さくする必要がある。
例えば、測定電極１の直径は５０μｍとされ、測定用コ
ンデンサＣ_Mの容量を数ｐＦとしても、感光体表面電位
１ｋＶに対して数１０〜数１００ｍＶの出力電圧しか得
られない。よって、このような微小容量を用いた測定回
路においては、浮遊容量が大きな影響を及ぼすことにな
る。そこで、実際には、図１０に示すように、出力電圧
をバッファアンプ（利得１で入出力電圧は等しい）５で
インピーダンス変換した後、その出力電圧をシールドケ
ース６に流すことで、測定回路にフィードバックし不要
な容量の発生を極力低減させるように構成される。

【０００６】また、このように測定容量が小さいと、出
力電圧が外部からの測定用コンデンサＣ_M への微小電流
の流入によるドリフトや外部ノイズの影響を受けやすい
ものとなる。特に、放電スイッチ４部は余分な容量や漏
れ電流が発生しやすい。そこで、図１０に示すように、
放電スイッチ４ａ，４ｂとして２段構造とし、潜像測定
時には１段目の放電スイッチ４ａをオフさせるとともに
２段目の放電スイッチ４によりバッファアンプ５の出力
をフィードバックさせるようにしている。７はコモンシ
ールドである。

【０００７】ところで、感光体２上に形成されている幅
１００μｍ程度の静電潜像（即ち、帯電により１ｋＶの
電位を持つ部分が１００μｍ幅で存在する）を精度よく
測定するためには、測定電極１・感光体２間の測定ギャ
ップを数１０μｍ以下に小さくする必要がある。ここ
に、図９において、測定電極１の電位は、感光体２の１
ｋＶなる表面電位に対して数１０〜数１００ｍＶにしか
ならず、測定電極１・感光体２間の電位差はほぼ１ｋＶ
となっている。よって、測定ギャップをあまり小さくし
過ぎると、図１１に示すようなパッシェン曲線に従い、
測定電極１・感光体２間で放電が発生してしまう。

【０００８】よって、放電を発生させずに測定ギャップ
を小さくするため、測定回路のコモン端子８の電位が感
光体２の表面電位の中間付近の電位（例えば、表面電位
が０〜１ｋＶの場合、５００Ｖ）となるようにバイアス
を印加するようにしている。これによれば、静電潜像が
１ｋＶの電位差を有していても、測定電極１と感光体２
との間の電位差は５００Ｖ以下となり、測定ギャップを
３０μｍ程度まで小さくしても放電が生じないことが、
図１１から予想されるというものである。

【０００９】さらに、放電に対する測定ギャップの裕度
を大きくするため、測定電極１周辺を空気より放電開始
電圧の高いＳＦ₆ （６フッ化硫黄）ガスで満たすように
している。ただし、ＳＦ₆ ガスが帯電器や転写器の近傍
に漏れると放電に悪影響を与えるため、図１２に示すよ
うに、プローブ９の周りに２重構造のガスチャンバ１０
を設け、内側のケース１０ａにＳＦ₆ガスを充満させる
とともに、外側のケース１０ｂにより回収する構成とさ
れ、ＳＦ₆ ガスの外部流出が防止されている。

【００１０】また、前述した式で、Ｖ₂ によりＶ₀ を決
定するには、Ｃ_M，Ｃ_Aの容量を一定に保つ必要があ
る。ここに、Ｃ_Mはコンデンサ素子によるものであり、
一定とし得る。一方、Ｃ_Aは測定ギャップにより変化す
るので、測定ギャップを一定に保つために、図１３に示
すように、ギャップセンサ１１及びギャップコントロー
ラ１２が設けられる。また、測定回路は外来からのノイ
ズを遮断するための２重のシールド構造を持つプローブ
９内に組込まれる。そして、前述したガスチャンバ１０
等とともに、精密パルスステージ１３上に配置されて構
成される。さらに、測定回路には感光体表面電位の中間
付近のバイアス電圧が印加されるため、測定データは絶
縁アンプ１４を介してＡ／Ｄ変換器１５によりＡ／Ｄ変
換され、コンピュータ１６によって処理される。

【００１１】一方、第２の従来例として、図１４に示す
ように構成された表面電位計もある。まず、プローブユ
ニット２１内に設けたセンサ電極２２を振動させ、測定
対象物２３との間の容量Ｃ_Dを変化させ、この容量変化
に伴いセンサ電極２２に誘起される電荷の変動による電
流を信号として取出す。ここに、容量Ｃ_Dはプローブユ
ニット２１内に設けた音叉２４を発振器２５により駆動
させることにより変化させ得る。取出された信号をプロ
ーブユニット２１内のプリアンプ２６及び表面電位ユニ
ット２７内に設けられたアンプ２８により順次増幅し、
増幅された信号を同期検波器２９により同期検波するこ
とにより出力信号が得られる。この時、この出力信号は
容量Ｃ_D に依存するものとなり、測定上、誤差をもたら
すものとなる。そこで、同期検波された出力信号は積分
器３０と高圧発生器３１とによる積分型高圧発生器に入
力されて高電位が発生され、プローブユニット２１にフ
ィードバックされる構成とされている。これにより、プ
ローブユニット２１の外囲気であるプローブボディ２１
ａの電位が上昇し、やがて、測定対象物２３と同電位と
なる。このようにプローブボディ２１ａが測定対象物２
３の表面と同電位となると、静電容量Ｃ_Dは打消された
ものとなる。このように同電位となった時に、内部で発
生した電圧を抵抗Ｒ₁，Ｒ₂により分圧し、インピーダン
ス整合回路３２で出力インピーダンスを０．０１Ω以下
として出力させることで、測定ギャップｄが変動して
も、図１５中に特性Ａで示すように、測定値に大きな誤
差を生じないようにしたものである。ちなみに、図１５
中の特性Ｂはそれ以前の従来例による例を示す。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところが、第１の従来
例による場合、下記のような問題がある。第１に、測定
用コンデンサＣ_Mに対して浮遊容量Ｃ_Aを介して電流が
流入するのを防止するため、シールドケース６を必要と
するので、プローブ９自身を小型化できず、これをアレ
イ状に並べた時の密度が向上しないものとなってしま
う。

【００１３】第２に、測定電極１と感光体２との間の放
電を防止するためにＳＦ₆ ガスを導入させ、かつ、コモ
ン端子８の電位を表面電位の１／２にしているが、ガス
を導入させるための構造を要するため、やはり、小型化
できず、かつ、配管等の配置も面倒なものとなる。ま
た、表面電位が高い場合には、このような処置を施して
も放電限界を超えてしまうことがあり、信頼性に欠ける
ものとなる。

【００１４】第３に、測定電極１と感光体２との間の距
離をあまり小さくできないため、電位制御の分解能も１
００μｍ幅程度が限界である。特に、電子写真プロセス
において感光体上の表面電位分布の測定においては、１
０μｍ幅の分解能が要求されている現状を考えると、こ
の要求を満足し得ないものである。

【００１５】第４に、浮遊容量Ｃ_Aを一定に保つために
測定電極１と感光体２との間の距離を一定に保つための
装置（ギャップセンサ１１及びギャップコントローラ１
２）を必要とする。

【００１６】また、第２の従来例による場合、下記のよ
うな問題点がある。第１に、測定値に対するセンサ電極
２２と測定対象物２３との間の距離ｄの依存性を低減さ
せるため、プローブボディ２１ａの電位を測定対象物２
３の表面電位と等しくしているが、図１５中に示す特性
Ａからも判るように、距離ｄの影響を完全には除去し得
るものでない。

【００１７】第２に、センサ電極２２に誘起される微弱
な電荷を測定するためには、センサ電極２２の対接地抵
抗を非常に高くしなければならない一方で、センサ電極
２２の電位を表面電位と同電位にするには何らかのアン
プの出力端をこのセンサ電極２２に接続しなければなら
ないが、センサ電極２２の出力端の対接地抵抗を測定に
影響を及ぼさない程度に高くすることは不可能である。
仮に可能であっても、センサ電極２２に溜った電荷を充
放電する時定数が大きくなり、表面電位の面上分布を測
定する場合の電位変動に追随できないものとなる。よっ
て、実際には、センサ電極２２の電位を測定対象物２３
の電位と同電位にすることは不可能と考えられる。

【００１８】第３に、この方式にあっても、プローブボ
ディ２１ａのシールドボックスが必要であり、プローブ
の小型化が困難で、アレイ化の支障となる。

【００１９】結局、これらの従来例に対して、プローブ
の小型・アレイ化が可能で、測定対象物表面と測定電極
との間の放電を防止するためのガス導入装置などを用い
ることなく放電の心配を回避でき、かつ、測定ギャップ
の変動の影響が少なくて、電位分布測定の分解能が１０
μｍ以下の表面電位計が要望される。

【００２０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、測定対象物に対向させた導電性の探針と、この探針
と前記測定対象物の表面電位との間に作用する静電力を
検出する静電力検出手段と、前記静電力が零又はほぼ零
となるように前記探針の電位を可変制御する電位制御手
段と、可変制御されたこの探針の電位を測定する電位測
定手段とにより構成した。

【００２１】ここに、請求項２記載の発明では、駆動電
源に接続された一対の電極を備えた圧電素子により加振
される片持ち梁の先端に探針を保持させ、静電力に応じ
て変位するこの探針の変位を検知する変位検出器を静電
力検出手段とし、前記探針に対して直流電圧に交流電圧
を重畳して交流電圧が正側に振れた時の静電力と負側に
振れた時の静電力とが等しくなるように直流電圧を可変
させる電位制御手段とした。

【００２２】さらに、請求項３記載の発明では、導電性
で探針と同電位とされた片持ち梁の電位と、圧電素子の
片持ち梁側の電極の電位とを等しくした。請求項４記載
の発明では、導電性で探針と同電位とされた片持ち梁に
対する探針の突出長さを０．１ｍｍ以上とした。

【００２３】

【作用】測定電極として機能する導電性の探針と測定対
象物の表面電位との間に作用する静電力を検出し、この
静電力が零又はほぼ零となるように探針の電位を可変制
御し、可変制御されたこの探針の電位を測定し、この測
定結果に基づき表面電位を算出するようにしたので、浮
遊容量の影響を受けない測定となり、よって、プローブ
部分のシールドボックスが不要となり、プローブの小型
・アレイ化が容易なものとなる。また、静電力を零又は
ほぼ零となるように制御する限り、探針と測定対象物と
の間の測定ギャップの変動を受けない測定となり、測定
ギャップを高精度で一定に保つための装置も不要とな
る。

【００２４】ここに、探針の電位を直接的に表面電位と
同電位に維持することは困難であるが、請求項２記載の
発明によれば、片持ち梁により保持されて圧電素子によ
り加振される探針に対して直流電圧に交流電圧を重畳
し、交流電圧が正側に振れた時の静電力と負側に振れた
時の静電力とが等しくなるように直流電圧を可変させる
ことにより、この直流電圧をバイアス電位として表面電
位と同電位に維持することは容易であり、探針と表面電
位との間の電位差は重畳させる交流電流の振幅程度の小
さなもので済む。よって、探針と測定対象物との間の放
電限界距離を著しく小さくし得る。この結果、ガス導入
装置等の放電防止手段を用いることなく、放電の心配を
回避でき、かつ、測定ギャップを極力短くし得るため分
解能を高めることもできる。

【００２５】また、請求項２記載の発明による場合、圧
電素子を加振させる駆動電源に接続された電極がフロー
ティングしているとその電位が安定しないため測定精度
の低下を招く一因となり、かといって、この電極が接地
されていると片持ち梁と圧電素子の片持ち梁側の電極と
の電位差が高圧となり、片持ち梁と圧電素子の片持ち梁
側の電極との間に設けられている絶縁材料が絶縁破壊を
起し、この片持ち梁の電位が不安定となって、測定精度
の低下の一因となり得るが、請求項３記載の発明によれ
ば、片持ち梁の電位と圧電素子用の片持ち梁側の電極の
電位とを同電位とし、これを基準に圧電素子に交流電圧
を印加するので、片持ち梁及び探針の電位は安定したも
のとなり、測定精度の低下を防止できる。

【００２６】一方、探針と表面電位との間の静電力が零
又はほぼ零となるように電位制御した状態では、片持ち
梁の電位も探針が対向する表面電位と同等となる。しか
し、電子写真プロセスの感光体表面上においては１００
μｍ間隔で電荷を帯電させる場合がある。この場合に
は、１００μｍの周期で、例えば０〜１ｋＶの振幅を持
つ表面電位分布となる。このような表面電位分布を測定
する場合、表面電位が１ｋＶの部分を測定している時に
は探針も片持ち梁も１ｋＶとなる。一方、表面電位が０
Ｖの部分が１ｋＶの部分と１００μｍの距離をおいて感
光体表面に存在する。片持ち梁は測定対象の表面に対し
て平行に配設され、その長さも１００μｍ以上であるの
が普通である。よって、１ｋＶの電位を持つ片持ち梁が
０Ｖの電位の表面上に対向することになる。このため、
この表面と片持ち梁との間の電位は例えば１ｋＶのよう
に大きな値となり、放電等の危険を生じ得るが、請求項
４記載の発明によれば、片持ち梁に対する探針の突出長
さを０．１ｍｍ以上としたので、測定対象物表面と片持
ち梁との間の距離を放電限界以上に維持でき、放電の心
配のないものとなる。

【００２７】

【実施例】請求項１及び２記載の発明の一実施例を図１
ないし図３に基づいて説明する。まず、基板４１上に積
層されて測定対象物となる感光体４２の表面には電荷Ｑ
が存在し、接地ＧＮＤとの間に電位差（表面電位）Ｖ_S
を生じている。このような感光体４２表面に近接対向さ
せて導電性の探針４３が設けられている。この探針４３
は、固定台４４に対して一対の電極４５，４６を有する
ピエゾ圧電素子、ここではＰＺＴ４７、絶縁フィルム４
８を介して一端が固定支持された導電性の片持ち梁４９
の先端下部に取付けられている。つまり、探針４３は片
持ち梁４９を板ばねとするような形でその先端側に変位
自在に支持され、かつ、探針４３と片持ち梁４９とは電
気的に導通した状態とされている。前記ＰＺＴ４７には
電極４５，４６を介して駆動電源５０により交流電圧Ｖ
₈ が印加され、このＰＺＴ４７は交流電圧Ｖ₈ の周波数
で振動するように構成されている。この周波数は、片持
ち梁４９の機械的振動の共振点ｆ₀ で振動するものとさ
れている。これは、共振特性のＱの値から、

【数１】のほうが好ましい。

【００２８】一方、片持ち梁４９の探針４３背面位置に
は鏡５１が固定されており、この鏡５１を利用して片持
ち梁４９先端部分の変位を介して探針４３と感光体４２
の表面電位Ｖ_Sとの間に作用する静電力を検出する静電
力検出手段としての光テコ法変位検出器５２が設けられ
ている。この光テコ法変位検出器５２は、この鏡５１と
ともに、前記鏡５１部分にレーザ光を照射するレーザダ
イオード５３と、鏡５１部分の変位に応じて角度変位し
た位置に反射光を受ける位置検出フォトダイオード５４
とにより構成されている。この位置検出フォトダイオー
ド５４の出力はプリアンプ５５により振幅を表す電気信
号Ｖ₀ として出力される。

【００２９】よって、探針４３の先端と感光体４２の表
面電位Ｖ_Sとの間に静電力（静電引力）が作用すると、
その力により、片持ち梁４９は振動しにくくなり、この
片持ち梁４９のばね定数が等価的に大きくなったことに
なる。これにより、片持ち梁４９の共振点がずれ、振動
振幅が小さくなる。このような振動振幅の減少は、片持
ち梁４９先端の変位量の減少として光テコ法変位検出器
５２により捉えられるる。つまり、光テコ法変位検出器
５２による変位検出は、探針４３が受けている静電引力
を検出することに相当する。

【００３０】さらに、前記光テコ法変位検出器５２の出
力Ｖ₀ に基づき前記探針４３の電位を可変制御する電位
制御手段５６が設けられている。この電位制御手段５６
は、予め設定された直流電圧Ｖ₉ ＝Ｖ_S／Ｇに電源５７
による台形状波形の交流電圧Ｖ₄ を重畳するゲイン０の
加算器５８と、この加算器５８の出力電圧Ｖ₅ を増幅し
て前記探針４３（片持ち梁４９）に出力電圧Ｖ₆ を印加
するゲインＧのパワーアンプ５９と、前記プリアンプ５
５の出力Ｖ₀ の振幅を直流電圧Ｖ₁ に変換するＡＭ復調
器６０と、この直流電圧Ｖ₁ を所定タイミングでサンプ
リングして保持するサンプルホールド回路６１，６２
と、これらのサンプルホールド回路６１，６２から得ら
れる電圧Ｖ₂₁，Ｖ₂₂間の差をとる差動アンプ６３と、こ
の差動アンプ６０の出力電圧Ｖ₃ を積分して前記直流電
圧Ｖ₉ を増減させる反転積分器構成の積分器６４とをル
ープ状に接続して構成されている。

【００３１】ここに、前記電源５７から前記サンプルホ
ールド回路６２に対するシンクロ信号Ｖ₇₂が交流電圧Ｖ
₄ に同期して取出され、サンプルホールド回路６２に対
してはインバータ６５により反転されたシンクロ信号Ｖ
₇₁が与えられている。

【００３２】さらに、前記直流電圧Ｖ₉ の値を測定して
電位測定手段となる電圧計６６が設けられている。

【００３３】このような構成において、図２及び図３に
示すタイミング波形図を参照して表面電位Ｖ_Sの測定動
作を説明する。まず、ＰＺＴ４７には図２(ａ)に示すよ
うに交流電圧Ｖ₈ が印加され、また、同図(ｂ)に示す台
形状波形の交流電圧Ｖ₄ は、この交流電圧Ｖ₈ の周期よ
りも低い周波数（好ましくは、１／１０以下）に設定さ
れて加算器５８の一方の入力端子に入力され、さらに、
表面電位をＶ_Sとした時に、同図(ｃ)に示すようにＶ_S
／Ｇなる電圧Ｖ₉ がこの加算器５８の他方の入力端子に
入力されているとする。すると、加算器５８の出力電圧
Ｖ₅ は同図(ｄ)に示すようになり、さらに、ゲインＧの
パワーアンプ５９で増幅した出力信号Ｖ₆ は同図(ｅ)に
示すようになる。即ち、直流電圧Ｖ_Sを中心にＶ_S−
（Ｖ_4a・Ｇ）／２からＶ_S＋（Ｖ_4a・Ｇ）／２の間で振
れる電圧、つまり、直流電圧Ｖ_Sに交流電圧Ｖ₄ をＧ倍
した交流電圧を重畳した波形の電圧となる。よって、探
針４３の先端電位もこの出力電圧Ｖ₆ に相当する電位と
なる。なお、図２では、便宜上、Ｖ_SとＶ_4a・Ｇとを同
レベルとして図示するが、実際はＶ_4a・Ｇの値はＶ_Sの
１／５０以下となるように設定される。

【００３４】ここに、いま、感光体４２の表面電位はＶ
_Sであるので、電圧Ｖ₆ がＶ_SよりＶ_4a・Ｇ／２だけ大
きくなっている時刻ｔ₁ と、Ｖ_SよりＶ_4a・Ｇ／２だけ
小さくなっている時刻ｔ₂ とにおいて、探針４３の先端
は表面電位Ｖ_Sとの間で同図(ｆ)に示すように各々
Ｆ₁，Ｆ₂なる静電引力Ｆ_Sを受ける。これにより、前述
したように片持ち梁４９のばね定数が大きくなったと等
価的となり、この片持ち梁４９、従って、探針４３の振
動振幅が小さくなる。よって、光テコ法変位検出器５２
を通して得られる振幅信号Ｖ₀ は同図(ｇ)に示すように
小さくなる。なお、時刻ｔ₃ においては、Ｖ₆＝Ｖ_Sであ
り、同電位であるので、探針４３は静電引力Ｆ_Sを受け
ず、振幅信号Ｖ₀ の振幅も大きくなる。

【００３５】このような振幅信号Ｖ₀ はＡＭ復調器６０
により復調され、同図(ｈ)に示すような直流電圧Ｖ₁ に
変換される。ここに、時刻ｔ₁ における電圧Ｖ₁₁と時刻
ｔ₂における電圧Ｖ₁₂とは等しくなる。これは、時刻
ｔ₁，ｔ₂における電圧Ｖ₆ の各々の値と、電圧Ｖ_Sとの
差の絶対値が等しく、時刻ｔ₁，ｔ₂において作用する静
電引力Ｆ₁，Ｆ₂の値が等しいためである。

【００３６】ここに、電源５７からはその交流電圧Ｖ₄
に同期した同図(ｊ)に示すようなシンクロ信号Ｖ₇₂が取
出され、サンプルホールド回路６２のサンプリング時刻
が決められている。同様に、同図(ｉ)に示すように、こ
のシンクロ信号Ｖ₇₂を反転させたシンクロ信号Ｖ₇₁が生
成され、サンプルホールド回路６１のサンプリング時刻
が決められている。本例では、これらのサンプルホール
ド回路６１，６２がシンクロ信号Ｖ₇₁，Ｖ₇₂の立上りで
サンプリングするように構成されているので、サンプル
ホールド回路６１は時刻ｔ₁ における直流電圧Ｖ₁ の値
をＶ₂₁＝Ｖ₁₁として、サンプルホールド回路６２は時刻
ｔ₂ における直流電圧Ｖ₁ の値をＶ₂₂＝Ｖ₁₂として各々
サンプルホールドする（同図(ｋ)(ｌ)参照）。

【００３７】これらの電圧Ｖ₂₁，Ｖ₂₂は差動アンプ６３
に入力されて差がとられ、Ｖ₃ として出力される。い
ま、前述したようにＶ₁₁＝Ｖ₂₂によりＶ₂₁＝Ｖ₂₂である
ので、同図(ｍ)に示すように、Ｖ₃ ＝Ｖ₂₂−Ｖ₂₁＝０と
なる。この差動アンプ６３の出力Ｖ₃ は積分器６４に入
力されるが、Ｖ₃ ＝０であるので、積分器６４出力であ
る直流電圧Ｖ₉ の値は当初のＶ_S／Ｇのまま変化しな
い、従って、探針４３に印加する電圧Ｖ₆ の値も変化し
ない。

【００３８】このように感光体４２の表面電位Ｖ_Sが変
化しない限り、探針４３の先端電位も図２(ｅ)に示す電
圧Ｖ₆ のような波形を維持し続ける。よって、表面電位
Ｖ_Sは直流電圧Ｖ₉ を電圧計６６で読取り、パワーアン
プ５９のゲインＧを掛けることにより求められる。

【００３９】しかして、感光体４２の表面電位が変化し
た場合に、電圧計６６の指示値がどのように変化するか
を図３を参照して説明する。いま、表面電位がＶ_Sから
Ｖ_S−ΔＶ_Sに変化したとする。また、探針４３の先端
電位Ｖ₆ は図２(ｅ)に示した値と同じであるとする。す
ると、図３(ａ)に示すように感光体４２の表面と探針４
３先端との電位差は、時刻ｔ₁ においてはＶ_4a・Ｇ／２
＋ΔＶ_S、時刻ｔ₂ においてはＶ_4a・Ｇ／２−ΔＶ_Sと
なる。つまり、時刻ｔ₁ における電位差が、時刻ｔ₂ に
おける電位差よりも大きくなる。従って、探針４３先端
の受ける静電引力Ｆ_Sも同図(ｂ)に示すように時刻ｔ₂
の時よりも時刻ｔ₁ の時のほうが大きくなる。この結
果、前述したように、時刻ｔ₁ におけるサンプルホール
ド電圧Ｖ₁₁は時刻ｔ₂ におけるサンプルホールド電圧Ｖ
₁₂の値より小さくなる（同図(ｄ)〜(ｆ)参照）。よっ
て、サンプルホールド回路６１，６２の各々の出力電圧
Ｖ₂₁，Ｖ₂₂の間には、Ｖ₂₁＜Ｖ₂₂なる関係が成立する。
従って、差動アンプ６３の出力Ｖ₃ は同図(ｇ)に示すよ
うに正の電圧となる。ここに、積分器６４は反転積分器
なので、電圧Ｖ₃ を積分し、直流電圧Ｖ₉ の電位は当初
の値Ｖ_S／Ｇから減少されていく。

【００４０】直流電圧Ｖ₉ が減少すると、同図(ｈ)に示
すように、探針４３（片持ち梁４９）に対する電圧Ｖ₆
の交流振幅のバイアス電圧Ｖｂ（振幅の中心電圧）も小
さくなり、このバイアス電圧ＶｂがＶ_S−ΔＶ_Sとなっ
た時にＶｂの変動は止まる。そして、図２の場合と同様
に、電圧Ｖ₆ はＶｂ＝Ｖ_S−ΔＶ_Sなる直流電圧を中心
とし振幅Ｖ_4a・Ｇ／２の電圧となる。この時の感光体４
２の表面電位はＶ_S−ΔＶ_Sであるので、図３(ｉ)に示
すように、時刻ｔ₁，ｔ₂において受ける静電引力Ｆ₁，
Ｆ₂はＦ₁＝Ｆ₂となる。この結果、電圧Ｖ₃ はＶ₃ ＝０
となり、直流電圧Ｖ₉ は（Ｖ_S−ΔＶ_S）／Ｇなる電圧
を維持する。この時の感光体４２の表面電位は、電圧計
６６の指示値（Ｖ_S−ΔＶ_S）／Ｇに既知の値Ｇを掛け
た値により求められる。

【００４１】感光体４２の表面電位がＶ_S＋ΔＶ_Sに変
化した場合は、上記の処理の電圧の増減関係が逆になる
だけで、同様に電圧Ｖ₉ を可変させる制御を行なうこと
により、最終的にはＶｂ＝Ｖ_S＋ΔＶ_Sとなる。

【００４２】このように、本実施例によれば、探針４３
先端と感光体４２の表面電位との間に作用する静電引力
を検出し、この静電引力が零となる時の直流電圧Ｖ₉ を
測定することにより、感光体４２の表面電位を測定する
ものとしたので、探針４３と感光体４２との間の浮遊容
量の影響を考慮する必要のないものとなり、測定器とし
てプローブ構成した場合、プローブ部分に対してシール
ドボックスは不要となり、小型・アレイ化が可能とな
る。

【００４３】また、探針４３の先端電位Ｖ₆ は、表面電
位と等しいバイアス電位Ｖｂを維持する。そして、電位
Ｖ₆ に重畳される交流成分の振幅Ｖ_4a・Ｇ／２はバイア
ス電位Ｖｂの１／５０以下でよい。従って、感光体４２
の表面電位と探針４３先端との電位差はＶ_4a・Ｇ以下と
なり、仮に、Ｖ_S＝１ｋＶとしても、２０Ｖ以下でよい
ものとなる。よって、第１の従来技術の場合の５００Ｖ
に比しても極めて小さな電位差となり、探針４３先端と
感光体４２表面との間の放電限界距離を著しく短くでき
る。この結果、ＳＦ₆ 等の不活性ガスを用いることな
く、放電の心配を回避でき、かつ、感光体４２表面と探
針４３先端との間の距離を短くし得るので１０μｍ幅以
下の分解能を達成できる。

【００４４】また、本実施例によれば、時刻ｔ₁ におけ
る静電引力Ｆ₁ と、時刻ｔ₂ における静電引力Ｆ₂ との
差を零とさせるため、電圧Ｖ₆ のバイアス電圧（直流電
圧）Ｖｂ＝Ｖ₉ が表面電位と等しくなるように制御して
いるので、この制御が働いている限り、静電引力Ｆ₁，
Ｆ₂の絶対値は、探針４３先端と感光体４２表面との間
の距離の２乗に反比例するが、Ｆ₁−Ｆ₂は常に零とな
る。従って、電圧計６６による測定値は、探針４３先端
と感光体４２表面との間の距離の変動の影響を受けない
ものとなる。この結果、従来のようにこの距離を正確か
つ一定に保つためのギャップ維持装置を要せず、小型・
低コスト化が可能となる。

【００４５】つづいて、請求項３記載の発明の一実施例
を図４により説明する。まず、前記実施例による図１の
構成をみた場合、ＰＺＴ４７を加振させる交流電圧Ｖ₈
が印加される電極４６がフローティングしていると、そ
の電位が安定しないため、絶縁フィルム４８の容量を介
して交流電圧Ｖ₈ により生じる交流電流が片持ち梁４９
に流れ込み、探針４３の電位を不安定としてしまい、測
定精度の低下を招く。かといって、電極４６をＧＮＤ基
準電位に接続すると、片持ち梁４９の電位が１ＫＶ程度
まで上昇するので、絶縁フィルム４８が絶縁破壊を起
し、片持ち梁４９の電位が不安定となり、やはり、測定
精度の低下を招くものとなる。

【００４６】そこで、本実施例では、片持ち梁４９とＰ
ＺＴ４７の片持ち梁４９側の電極４６との電位を同電位
とし、この電極４６の電位を基準として固定台４４側の
電極４５に駆動用の交流電圧Ｖ₈ を印加させることによ
り、電極４６から絶縁フィルム４８の容量を介して電流
が流れ込むようなことがないようにしたものである。

【００４７】より具体的には、まず、交流電圧Ｖ₈ を印
加するための駆動電源５０は絶縁アンプ６７の反転、非
反転入力端子間に接続されている。この絶縁アンプ６７
の入力側コモン６７ａはＧＮＤに接続され、これを基準
電位としている。また、パワーアンプ５９の出力電圧Ｖ
₆ ラインは片持ち梁４９とともにＰＺＴ４７の片持ち梁
４９側の電極４６に接続されている。従って、電極４６
と片持ち梁４９との間に電位差はない。また、絶縁アン
プ６７の出力側コモン６７ｂもこのパワーアンプ５９の
出力電圧Ｖ₆ ラインに接続されている。絶縁アンプ６７
の出力はＰＺＴ４７の固定台４４側の電極４５に接続さ
れている。

【００４８】従って、電極４６と片持ち梁４９との間に
電位差はなく、かつ、電極４５，４６間には絶縁アンプ
６７により交流電圧Ｖ₈ と等しい電位差が生じてＰＺＴ
４７を駆動させることになる。この時、アンプ５９，６
７の出力抵抗は低いので、電極４５，４６及び片持ち梁
４９の電位は安定したものとなる。また、絶縁フィルム
４８が絶縁破壊を起すこともない。

【００４９】さらに、請求項４記載の発明の一実施例を
図５により説明する。まず、図１に示した構成において
感光体４２表面に電荷Ｑが存在している部分の電位はＶ
_Sであり、この部分を測定している時には探針４３、片
持ち梁４９の電位もＶ_Sとなっている。従って、逆に、
電荷Ｑが存在しておらず電位がほぼＧＮＤ電位と等しい
表面と片持ち梁４９との間の電位差はＶ_Sとなる。この
結果、感光体４２表面と片持ち梁４９との間の距離ｄを
適切に選ばないと両者間で放電を起してしまい、表面電
荷の測定が不可能となる。

【００５０】しかして、本実施例では、電荷Ｑのない部
分と片持ち梁４９との間の放電を防止し得るように構成
したものである。いま、図５は感光体４２上の表面電荷
Ｑによる電位を測定している様子を示すものとし、仮
に、探針４３直下の領域Ａ部分にのみ電荷が存在し、そ
の表面電位がＶ_Sであるとする。すると、前述したよう
に片持ち梁４９の電位も同電位であり、Ｖ_Sとなる。従
って、感光体４２上の領域Ａ以外の表面部分と片持ち梁
４９との間の電位差はＶ_Sとなる。Ｖ_Sは約１ｋＶであ
り、図８に示したパッシェン特性より、１ｋＶに対する
放電限界距離は１気圧、乾燥空気中において約０．１ｍ
ｍである。そこで、本実施例では片持ち梁４９と感光体
４２表面との間の距離ｄを０．１ｍｍ以上として片持ち
梁４９・感光体４２表面間の放電を防止するようにした
ものである。

【００５１】ここに、測定分解能を１０μｍ以下にする
ためには探針４３先端と感光体４２表面との間の距離ｄ
₁ を数μｍ以下にする必要がある。従って、放電防止に
必要な距離ｄに対してこの距離ｄ₁ は極めて小さいの
で、具体的には、探針４３の長さ、即ち片持ち梁４９に
対する探針４３の突出長さｄ₂ を０．１ｍｍ以上とする
ことにより放電防止を確保できる。

【００５２】なお、探針４３の変位を検出する変位検出
器としては、前述した光テコ法変位検出器５２に限ら
ず、例えば、２周波レーザによるヘテロダイン干渉計を
用いるようにしてもよい。

【００５３】また、感光体４２の表面に変位測定のため
のレーザ光を入射させると入射部分の電荷が放電してし
まい測定不能となる場合には、例えば図６ないし図８に
示すような構造の片持ち梁を用いればよい。まず、図６
は単結晶シリコンによる片持ち梁６８に対して絶縁膜６
９、金属膜７０を介して探針４３を取付ける一方、片持
ち梁６８の表面側にはピエゾ抵抗素子７１を設けて拡散
リード７２を介して抵抗計７３に接続し、片持ち梁６８
が振動することにより梁表面に生ずる歪をピエゾ抵抗素
子７１の抵抗変化として捉えるようにしたものである。
７４はＳｉ₃Ｎ₄膜による絶縁膜、７５はガラス膜、７６
はＣ−Ｓｉ台座である。ここに、ピエゾ抵抗素子７１は
多結晶シリコンを用いるようにしてもよい。

【００５４】また、図７に示すように、抵抗計７３に代
えて、電圧計７７をピエゾ圧電素子７１に接続し、片持
ち梁６８が振動することにより梁表面に生ずる歪をピエ
ゾ圧電素子７１に生ずる電圧変化として捉えるようにし
てもよい。これらの図６、図７の場合、片持ち梁６８の
材料としては単結晶シリコンに限らず、ＳｉＯ２、Ｓ
ｉ３Ｎ４、多結晶シリコン等であってもよい。

【００５５】さらに、図８はＣ−Ｓｉ台座７８両面に金
属膜７９と電極８０とを形成して金属膜７９と電極８０
とが絶縁膜７９ａを介して接触する状態で延設させ、そ
の部分に探針４３を取付ける一方、ＰＺＴ４７側につい
てもＣ−Ｓｉ台座７８上に保持されるガラス８１両面に
電極８２を形成して、探針４３対応部分で電極８０，８
２が対向するように配設し、電極８０，８２間に容量計
８３を接続し、この電極８０，８２間の容量変化により
探針４３の変位を測定するようにしたものである。

【００５６】

【発明の効果】本発明は、上述したように構成したの
で、請求項１，２記載の発明によれば、測定電極として
機能する導電性の探針と測定対象物の表面電位との間に
作用する静電力を検出し、この静電力が零又はほぼ零と
なるように探針の電位を制御し、この時の探針の電位を
測定して表面電位を算出するようにしたので、浮遊容量
の影響を受けない測定となり、よって、プローブ部分の
シールドボックスを不要とし、プローブの小型・アレイ
化を容易に実現でき、また、静電力を零又はほぼ零とな
るように制御する限り、探針と測定対象物との間の測定
ギャップの変動を受けない測定となるので、測定ギャッ
プを高精度で一定に保つための装置も不要とすることが
できる。

【００５７】特に、より具体的な請求項２記載の発明に
よれば、片持ち梁により保持されて圧電素子により加振
される探針に対して直流電圧に交流電圧を重畳し、交流
電圧が正側に振れた時の静電力と負側に振れた時の静電
力とが等しくなるように直流電圧を可変させるようにし
たので、この直流電圧をバイアス電位として表面電位と
同電位に維持することは容易であり、探針と表面電位と
の間の電位差は重畳させる交流電圧の振幅程度の小さな
もので済ませることができ、よって、探針と測定対象物
との間の放電限界距離を著しく小さくでき、この結果、
ガス導入装置等の放電防止手段を用いることなく、放電
の心配を回避でき、かつ、測定ギャップを極力短くし得
るため分解能を高めることもできる。

【００５８】また、このような請求項２記載の発明に対
して、請求項３記載の発明では、片持ち梁の電位と圧電
素子用の片持ち梁側の電極の電位とを同電位とし、これ
を基準に圧電素子に交流電圧を印加するようにしたの
で、電位の不安定要素をなくすことができ、測定精度の
低下を防止できる。

【００５９】また、請求項４記載の発明では、片持ち梁
に対する探針の突出長さを０．１ｍｍ以上としたので、
測定対象物表面と片持ち梁との間の距離を放電限界以上
に維持でき、測定対象物の電荷のない部分と片持ち梁と
の間の放電の心配もないものとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１及び２記載の発明の一実施例を示す回
路構成図である。

【図２】表面電位の変動のない場合の検出動作を示すタ
イミング波形図である。

【図３】表面電位の変動した場合の検出動作を示すタイ
ミング波形図である。

【図４】請求項３記載の発明の一実施例を示す回路構成
図である。

【図５】請求項４記載の発明の一実施例を示す構成図で
ある。

【図６】変位検出器の変形例を示す構成図である。

【図７】変位検出器の別の変形例を示す構成図である。

【図８】変位検出器のさらに別の変形例を示す構成図で
ある。

【図９】第１の従来例の原理を示す回路構成図である。

【図１０】第１の従来例の基本構成図である。

【図１１】パッシェン特性図である。

【図１２】放電防止機構を示す断面図である。

【図１３】第１の従来例の全体構成図である。

【図１４】第２の従来例を示す構成図である。

【図１５】その特性図である。

【符号の説明】

４２測定対象物４３探針４５，４６電極４７圧電素子４９片持ち梁５０駆動電源５２静電力検出手段５６電位制御手段６６電位測定手段Ｖ_S 表面電位Ｖ₄ 重畳させる交流電圧Ｖ₉ 直流電圧Ｆ_S 静電力ｄ₂ 探針突出長さ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平５−273277（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−165772（ＪＰ，Ａ) 特開平５−119093（ＪＰ，Ａ) 実開平３−65979（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01R 29/12 - 29/14 G01R 29/24 G01N 13/10 - 13/24

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象物に対向させた導電性の探針
と、この探針と前記測定対象物の表面電位との間に作用
する静電力を検出する静電力検出手段と、前記静電力が
零又はほぼ零となるように前記探針の電位を可変制御す
る電位制御手段と、可変制御されたこの探針の電位を測
定する電位測定手段とよりなることを特徴とする表面電
位計。
【請求項２】駆動電源に接続された一対の電極を備え
た圧電素子により加振される片持ち梁の先端に探針を保
持させ、静電力に応じて変位するこの探針の変位を検知
する変位検出器を静電力検出手段とし、前記探針に対し
て直流電圧に交流電圧を重畳して交流電圧が正側に振れ
た時の静電力と負側に振れた時の静電力とが等しくなる
ように直流電圧を可変させる電位制御手段としたことを
特徴とする請求項１記載の表面電位計。
【請求項３】導電性で探針と同電位とされた片持ち梁
の電位と、圧電素子の片持ち梁側の電極の電位とを等し
くしたことを特徴とする請求項２記載の表面電位計。
【請求項４】導電性で探針と同電位とされた片持ち梁
に対する探針の突出長さを０．１ｍｍ以上としたことを
特徴とする請求項２又は３記載の表面電位計。